數控往復式潛油電泵故障監測和診斷系統的設計與應用

邵克勇 錢 坤 張鳳武 劉遠紅 吳 寧 蔣召平 張力鵬

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江 大慶 163712；3.中國石油管道公司技術服務中心，河北 廊坊 065000)

數控往復式潛油電泵是針對低產低滲油田提出的一種重要的新型無桿采油技術，應用前景良好[1,2]。由于潛油直線電機在井下惡劣環境中連續工作時間短及抽油泵本身工況不佳等問題導致機組故障率相對較高，因此對其進行故障監測和診斷，對油田生產具有重要意義。目前還沒有成熟的故障監測和診斷系統，有些學者的研究成果還處于實驗室階段。文獻[3]提出一種基于支持向量機的工況診斷方法，建立了SVM工況診斷模型，并進行了仿真驗證，但是并未設計實時故障診斷系統，在現場難以應用，有很大局限性；文獻[4]以壓力信號為主、流量信號為輔作為故障信息，應用小波神經網絡技術進行故障診斷，設計了往復泵故障智能診斷系統，但是該方法只針對往復泵本身提出的，沒有考慮潛油直線電機對往復泵的直接影響，并且需要在泵缸中安裝傳感器以實現實時監測，不便于深井中工作的潛油電泵使用。而現場技術人員通過經驗診斷機組故障適應性差，不利于推廣。基于此，筆者在對其工作機理深入研究的基礎上，利用虛擬儀器作為其故障監測和診斷方法的平臺，提出以功率信號作為故障信息，將LabVIEW與Matlab混合編程技術應用于系統的研發，使二者優勢互補，實現了電參信號的采集、小波去噪及波形分析等功能，建立了故障監測和診斷系統，現場應用效果較好。

1 系統整體結構設計及其功能①

虛擬儀器是一種基于計算機的先進儀器，通過計算機軟件和硬件仿真傳統測量設備，是以數據采集、信號處理和圖形顯示為主，控制為輔的科學儀器[5,6]。筆者以虛擬儀器為基礎，開發了往復式潛油電泵故障監測和診斷系統，并將測試系統采集的模擬信號通過信號傳輸設備送入計算機，以實現對信號的實時顯示與分析處理。該系統分為硬件和軟件兩大部分，總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

1.1 硬件系統設計及其功能

1.1.1測試系統

測試系統的主要功能是完成對采油工藝運行過程中實時電壓與電流信號的采集，其直接與地面高壓變頻控制柜相連，主要包括電壓和電流互感器。二者是信號輸入通道的首要環節，決定了整個測試系統的性能，可以把被測物理量轉換為與之有確定對應關系并且容易檢測的信號輸出，以滿足信息的傳輸、存儲及分析等要求。因此選擇互感器時，在滿足測量范圍、速度、精度、靈敏度和分辨率的情況下，還需考慮經濟投入、相配電路是否方便及安全性能等因素。筆者綜合考慮了以上方面，又結合井場工作平臺環境惡劣和機組運行時故障信息豐富的特點，選用了抗外界干擾能力強、測量線圈精度為0.2的性價比較高的電壓和電流互感器，現場應用效果較好。

1.1.2信號傳輸設備

系統設計成雙通道并行輸入，信號采集硬件外置，通過信號傳輸設備與計算機交換數據。筆者采用高精度USB-6008數據采集卡作為信號傳輸設備的主要組成，它是一種基于USB總線的采集卡，可直接與計算機的USB接口連接，構成數據采集、波形顯示、信號處理和生產過程監測系統，具有信號調理、采樣保持、A/D轉換、模擬輸入、模擬輸出及數字I/O等典型功能；逐次逼近類型的轉換器；10kS/s的采樣率。

綜上所述，硬件系統的設計即下位機設計，是以計算機為整個系統的中樞，以電壓和電流信號采集為工作核心，負責對二者分通道采集、采樣參數配置和信號調理，然后向上位機的數據庫提供數據。因此首先要通過測試系統測取信號，然后信號傳輸設備進行信號調理和A/D轉換，最后傳輸到計算機診斷系統中的數據庫。為了方便現場應用，筆者將測試系統、信號傳輸設備和電源組成的硬件系統組裝，形成便攜式故障診斷儀器。

1.2 軟件系統設計及其功能

軟件平臺的開發是整個監測與診斷系統的核心，筆者采取了模塊化的編程思想，通過LabVIEW直觀的圖形化人機界面對信號進行采集，并在LabVIEW中使用Matlab script節點技術，調用Matlab中的小波函數程序對含噪信號進行降噪處理，這種混合編程的方式充分利用了二者的優點。根據實際需求設計參數標定、數據采集、數據處理和結果顯示四大模塊組成軟件系統，并進行了調試和集成。現場應用效果表明：功率波形清晰，能夠很好地反映機組工況。軟件系統結構如圖2所示。

圖2 軟件系統結構框圖

數據采集模塊是基于LabVIEW提供的DAQ和硬件測試儀器來實現信號采集、通道設置、數據顯示和存儲用戶自定義測量系統，整合了機組實際信號、互感器與信號傳輸設備，采集互感器輸出的模擬信號，通過數據采集卡將其轉換為計算機可以識別的數字信號，送入計算機存儲和處理，得到清晰的功率波形，并在人機界面顯示，以實現對整個采油工藝故障的監測和診斷。數據采集程序如圖3所示。

圖3 數據采集程序

2 現場測試與分析

整個系統的軟、硬件設計完成后，筆者針對數控往復式潛油電泵舉升工藝在油田中常出現的卡泵和油管結蠟故障，在某油田油井區塊，應用該系統對12口油井進行了工作狀態監測，系統通過采集實時的電壓電流信號，得到實時的功率信號，對于典型故障可以從功率信號的波形變化直觀地判斷。數據采集前面板顯示的實時功率信號如圖4所示。

調用Matlab小波去噪程序，并將潛油直線電機動子下沖程功率曲線翻折，設置采樣頻率500Hz，即每2ms采集一個點。每口油井采集500個沖次的數據，選擇潛油直線電機類型、抽油泵泵徑、控制柜參數設置及動液面等條件一致或近似的3口油井進行工況分析。當機組正常工作時，潛油直線電機動子在上、下沖程開始時會有一個較大的啟動電流，導致功率波形在這兩個位置會有正常的突變，隨之動子平穩運行，不發生抖動或過載等不正常工況，上、下功率大小也符合機組在變頻控制柜上的參數設置，機組正常運行時的功率波形如圖5所示。

圖4 機組功率實時信號

圖5 機組正常運行波形

當機組發生卡泵現象時，動子電流會在卡泵位置突然變大，動子運行不平穩，導致功率波形發生明顯變化，如圖6所示，動子上行程在第281個采樣點附近發生卡泵，功率變大；動子下行程在同一位置出現卡泵現象，功率波形變化更加明顯。

圖6 機組卡泵波形

當機組發生油管結蠟現象時，潛油直線電機動子在往復運行過程中，井液內析出堆積的蠟會使其增加一個全程的阻力，使電機動子載荷在整個過程中都超過了最大理論值，功率波形表現出明顯的“肥胖”特征，同時增加了下行程的振動載荷，如圖7所示。

圖7 機組油管結蠟波形

故障診斷系統的應用，提高了機組運行的可靠性，延長了機組的使用壽命，卡泵和油管結蠟診斷準確率分別達到97.0%和98.0%，機組系統效率平均提高25.2%，平均檢泵周期從224天提高到452天，并且實現了自動化管理，提高了工作效率。

3 結束語

筆者將機械故障診斷方法研究與虛擬儀器技術相結合，設計了數控往復式潛油電泵的故障監測和診斷系統。該系統不僅能對電壓、電流數據進行采集、存儲和查詢，還通過Matlab script節點將LabVIEW與Matlab優勢互補混合編程進行信號的小波去噪和波形分析，實現了故障監測和診斷功能。現場應用表明，該系統適用于井場平臺環境，能夠直觀、準確地監測機組工作狀態，做出故障預警。該系統針對卡泵和油管結蠟兩種典型故障的診斷效果較好，滿足了實際生產的需求，提出通過研究動子功率波形特征變化來實現故障監測和診斷，對機組是實用且有效的。對這一新型采油工藝的規模應用和故障診斷方法的深入研究具有積極意義。